一種混凝土結構物應力應變傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于土木工程領域，具體涉及一種混凝土結構物應力應變傳感器。
【背景技術】
[0002]在土木工程領域，結構的應力、應變監測對結構物破壞預測、災害預警等具有十分重要的意義，對結構物的維修養護具有指導作用。
[0003]混凝土材料是當今使用最為普遍和廣泛的建筑材料。混凝土材料具有高強度、高模量、高耐久性等優點，在土木工程各個領域都得到了廣泛的應用。而混凝土作為一種脆性材料，其破壞具有突變性，這使得其破壞具有不可預測性，易造成大量人員傷亡和財產損失。因而對于混凝土結構物，結構健康監測尤為重要。目前常見的做法是在混凝土結構物中預埋傳感器，例如電磁致伸縮材料傳感器、光纖傳感器等，這類傳感器的缺點是壽命短、抗干擾能力差、造價高且植入在混凝土結構物中后成活率較低。此外，這類材料一般與混凝土結構物相容性不高，因而會影響混凝土結構物自身的性能。
[0004]在混凝土結構物中，也有采用水泥基材料作為基體的機敏材料來制作傳感器，這種傳感器的缺陷在于:水泥基材料本身由于水分散失等問題會致使基體產生收縮裂縫從而導致基體內部缺陷，降低傳感器的品質;采用水泥基材料制作傳感器需要進行長時間的養護，周期較長，使用不便；由于水泥基材料基體存在由水分蒸發產生的毛細孔以及內部缺陷，其電阻率易受到水分的影響，傳感器存在穩定性問題。
[0005]而采用機敏材料與樹脂基體組成的復合結構作為傳感器，由于構造復雜，制作繁瑣，不利于傳感器的推廣使用。
[0006]現有技術中，一般常將導電填料加入到環氧樹脂等聚合物中以改善其導電性能，在惡劣環境下，這種復合材料可作為金屬材料的替代品，既能起到導電作用，又能抵抗各種環境的侵蝕作用。在土木工程領域，常采用環氧樹脂作為結構粘接材料或者各種涂層，而這種由導電填料和環氧樹脂組成的導電填料在土木工程領域中應用較少。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種混凝土結構物應力應變傳感器，該傳感器性能穩定可靠、使用壽命長、與混凝土結構物相容性好、制作簡單、造價低、埋設簡便、成活率高。本實用新型采用環氧樹脂作為基體材料，相比于水泥基基體材料的有點在于固化迅速，強度形成時間快，無需長時間養護，且基體材料本身不含毛細孔結構，因此不受水分的影響;本實用新型所提供的傳感器基體由整塊機敏材料構成，避免了復合結構造成的構造復雜以及制作繁瑣的問題。本實用新型中利用環氧樹脂-導電填料復合材料的機敏性，將其作為一種傳感器，引用到土木工程領域，用以監測各種土木結構物的應力應變狀態，為環氧樹脂材料在土木工程領域中的應用提供了一條新思路。
[0008]為實現上述目的，本實用新型采用下述技術方案:
[0009]—種混凝土結構物應力應變傳感器，包括環氧樹脂機敏材料基體，所述環氧樹脂機敏材料基體內部按設定間距布設若干內置電極，內置電極與環氧樹脂機敏材料基體的受力面相平行，環氧樹脂機敏材料基體表面均勻包裹有外部封裝層;所述內置電極與外接導線連接，外接導線延伸至外部封裝層外部。
[0010]所述內置電極為金屬絲縱橫垂直交錯布置形成的網格狀結構;采用這種網絡狀結構的內置電極便于制作，且埋設方便。環氧樹脂與大多數金屬之間具有較好的粘結強度，采用金屬絲制成網格狀結構作為電極有利于傳感器的整體性。
[0011 ]所述內置電極的橫向金屬絲之間的間距與豎向金屬絲之間的間距相等。
[0012]優選的，所述內置電極的橫向金屬絲之間的間距為2?15mm;間距太大會降低電極的有效性，間距太小會導致傳感器內部出現斷層，影響傳感器的性能。
[0013]優選的，所述內置電極的豎向金屬絲之間的間距為2?15mm;間距太大會降低電極的有效性，間距太小會導致傳感器內部出現斷層，影響傳感器的性能。
[0014]組成所述網格狀結構的金屬絲的直徑為O?Imm;金屬絲過粗易影響傳感器的性會K。
[0015]所述外接導線包括金屬絲導線，所述金屬絲導線外部包裹有絕緣層。
[0016]所述環氧樹脂機敏材料基體由環氧樹脂和納米導電填料的混合物制成;納米導電填料可采用碳納米管以及石墨烯，采用納米導電填料能夠提高環氧樹脂基體的性能。納米導電填料與環氧樹脂的比例關系要根據所采用環氧樹脂以及納米導電填料的種類進行選用，例如對于雙酚A型環氧樹脂以及多壁碳納米管，導電填料與環氧樹脂一般采用0.5:100?10:100的比例。
[0017]所述外部封裝層由不含導電填料的環氧樹脂固化物制成;外部封裝層的環氧樹脂以及固化劑采用與環氧樹脂機敏材料基體同樣的材料類型以及混合比例，以保證整個傳感器的協調統一。
[0018]一種混凝土結構物應力應變傳感器的監測方法，包括以下步驟:
[0019]步驟1:對環氧樹脂機敏材料基體的機敏性進行測試，得出應力應變傳感器電阻的變化率與應力應變傳感器受到應力和應變的定量關系；
[0020]步驟2:確定混凝土結構物中需要監測應力應變的位置；
[0021]步驟3:根據監測范圍和監測要求，確定應力應變傳感器的尺寸及內置電極的結構形式；
[0022]步驟4:將應力應變傳感器埋設于混凝土結構物中，確保應力應變傳感器受力良好；
[0023]步驟5:采集應力應變傳感器內置電極之間的電阻值，通過應力應變傳感器電阻的變化率對混凝土結構物內部的應力和應變進行監測。
[0024]所述步驟3的具體步驟為:
[0025]根據混凝土結構物中需要監測的范圍確定應力應變傳感器的外形尺寸，所選外形尺寸要保證不影響混凝土結構物本身的整體性；
[0026]根據混凝土結構物的監測要求及應力應變傳感器的外形尺寸，確定內置電極的布設層數以及內置電極之間的布設間距；
[0027]所述步驟4的具體步驟為:
[0028]對混凝土結構物進行卸載和支護，保證混凝土結構物處于零外荷載的狀態下；
[0029]在混凝土結構物的監測位置按照應力應變傳感器的外形尺寸以及受力方向進行開槽，應力應變傳感器與開槽的槽壁之間留有間隙;開槽的位置要保證精確，以保證應力應變傳感器能夠良好受力;開槽的大小要保證傳感器能夠埋入，并留有空隙，以便傳感器與混凝土結構物的粘接；
[0030]配制環氧樹脂膠，并將環氧樹脂膠涂抹于開槽的內表面;所涂膠量要保證傳感器與混凝土結構物的結合之間不留空隙；
[0031]將應力應變傳感器按照受力方向，外接導線所在面朝外，嵌入開槽內，使應力應變傳感器與開槽之間不留空隙；保證傳感器按預定位置準確埋入，并使傳感器被環氧樹脂膠充分包裹。
[0032]待環氧樹脂膠完全凝固且達到強度要求后，去除混凝土結構物的支護。
[0033]本實用新型的工作原理為:
[0034]環氧樹脂本身是一種熱塑性低聚物，性能較差，但與固化劑進行固化反應形成三維交聯網絡后可呈現一系列優異的性能。環氧樹脂固化后具有優良的力學性能、尺寸穩定性、化學穩定性以及耐久性，能夠抵抗各種酸、堿、溶劑以及霉菌的侵蝕作用，而且這種環氧樹脂固化物能夠通過摻入增塑劑、增韌劑等進行改性，因而與很多不同力學性能的的建筑材料都具有很好的相容性。環氧樹脂固化物與混凝土材料具有很好的相容性。
[0035]將碳納米管、納米石墨烯等導電材料摻入并分散于環氧樹脂(可采用雙酚A型環氧樹脂)中，并采用固化劑(可采用多元胺類固化劑)進行固化所得到的復合材料具有較好的導電性和機敏性，將其作為傳感器，并植入混凝土結構物內部能夠很好地感應結構物內部的應力應變的變化，可作為混凝土結構物健康監測的一種傳感器。這種傳感器既具有常規傳感器的感應能力，又與混凝土結構物有很好的相容性，并且具有很好的力學性能，耐久性好，性能穩定，造價低，因而可作為混凝土結構物中一種很好的應力應變傳感器，長期監測混凝土內部應力應變的狀況。